專利名稱：慣性傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于車輛控制用途或汽車導航等各種電子設備的慣性傳感器。
技術背景
圖14是表示以往的慣性傳感器的方框圖。如圖14所示，以往的慣性傳感器130包括振子131、驅動單元132、以及檢測(detection)單元133。在振子131中，形成監視電極 131a、驅動電極131e、131c以及檢出電極131b、131d。驅動單元132放大從監視電極131a 輸入的信號并供給到驅動電極131e、131c。檢測單元133基于從檢出電極131b、131d輸入的信號檢出從外部對振子131提供的慣性量。
此外，檢測單元133包括振蕩器135f、開關135e、電流電壓變換器135c、電流電壓變換器135d、差動放大器135g、檢波器135h、以及故障診斷單元135j。開關13 與振蕩器135f連接。電流電壓變換器135c與檢出電極131d及開關13 連接。電流電壓變換器 135d與檢出電極131b連接。差動放大器135g與電流電壓變換器135c及電流電壓變換器 135d連接。
檢波器13 基于從差動放大器135g輸出的信號而輸出對振子131所施加的慣性量。故障診斷單元135j基于來自檢波器13 的信號來診斷有無故障。
在該結構中，在進行故障診斷時，對于開關13 進行控制，以輸出來自振蕩器 135f的振蕩信號。而且，通過在故障診斷單元135j中監視DC變動值，診斷角速度傳感器 130有無故障。
但是，在以往的慣性傳感器中，存在不能診斷在驅動單元或振子上發生的故障的問題。此外，存在進行故障的診斷期間，不能檢出慣性量的問題。
再有，作為本發明的現有技術文獻，例如，已知專利文獻1。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1 特開2002-267448號公報發明內容
本發明的慣性傳感器形成包括了振子、使振子振動的驅動單元、檢測對振子從外部提供的慣性量的檢測單元、以及設置在振子和驅動單元之間的故障診斷單元的結構。驅動單元具有對振子供給基準電位的基準電位供給單元；以及基于從振子輸出的監視信號，對振子供給驅動信號的驅動信號供給單元。故障診斷單元包括基于從基準電位供給單元至振子中流過的電流值來診斷有無故障的診斷單元。根據該結構，可以診斷在驅動單元或振子上發生的故障，同時在進行故障的診斷期間也可以進行慣性量的檢出。
圖1是本發明的實施方式1的慣性傳感器的方框圖。
圖2A是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的音叉型振子的驅動振動的說明圖。
圖2B是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的音叉型振子的檢出振動的說明圖。
圖3A是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的多軸檢出振子的說明圖。
圖;3B是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的多軸檢出振子的說明圖。
圖4是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的故障診斷單元、基準電位供給單元和振子的方框圖。
圖5是表示本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的故障診斷單元的電壓波形的圖。
圖6是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的診斷單元的方框圖。
圖7是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的包括了電流鏡電路的故障診斷單元的方框圖。
圖8是本發明的實施方式2的慣性傳感器的方框圖。
圖9是表示本發明的實施方式2的慣性傳感器具有的故障診斷單元的電壓波形的圖。
圖10是本發明的實施方式3的慣性傳感器的方框圖。
圖11是本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的故障診斷單元、基準電位供給單元和振子的方框圖。
圖12是本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的診斷單元的方框圖。
圖13A是表示本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的故障診斷單元的電壓波形的圖。
圖1 是表示本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的全波整流單元的輸出信號的圖。
圖13C是表示本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的低通濾波器的輸出信號的圖。
圖14是以往的慣性傳感器的方框圖。
標號說明
10、80、100慣性傳感器
10a、IOb 輸出單元
11 振子
11a、lib、11c、Ild 電極
12驅動單元
1 基準電位供給單元
12b、12c 電阻
12d基準電位供給放大器
12e驅動信號供給單元
12f IV變換放大器
12g輸出放大器5
12h濾波器
13檢測單元
13a IV變換放大器
13b檢波單元
13c低通濾波器
14、81、104故障診斷單元
20音叉型振子
21、；34驅動振動
22、36、38 檢出振動
23、35、37 角速度
30多軸檢出振子
31 錘
32 臂
33支承體
44a、44b、44c 電阻
44d、70運算放大器(放大器)
44e、104e 診斷單元
50、50a、50b 電壓波形
90、90a、90b 電壓波形
110、110a、110b 電壓波形
61最大值測定單元
62最小值測定單元
63、64、123 比較單元
65、82故障信號輸出單元
71電流鏡晶體管
72輸出驅動晶體管
73監視電阻
74緩沖放大器
75輸出端子
111輸出信號
112輸出信號
121全波整流單元
122低通濾波器具體實施方式
以下，參照
本發明的實施方式。但是，本發明不因這些實施方式而受到限定。
(實施方式1)
圖1是本發明的實施方式1的慣性傳感器10的方框圖。在圖1中，慣性傳感器10包括振子11、使振子11振動的驅動單元12、檢測對振子11從外部提供的慣性量的檢測單元13、以及設置在振子11和驅動單元12之間的故障診斷單元14。
以下，詳細說明各個結構塊。驅動單元12具有對振子11供給基準電位的基準電位供給單元12a ；以及基于從振子11輸出的監視信號，對振子11供給驅動信號的驅動信號供給單元12e。
基準電位供給單元12a通過將電源電壓和地(ground)使用電阻12b、12c進行電阻分割而生成基準電位，使用基準電位供給放大器12d對振子11供給基準電位。
驅動信號供給單元1 使用IV變換放大器12f將監視信號的電流值變換為電壓值，使用AGC(Autc) Gain Control ；自動增益控制)放大器(未圖示)成為大致固定振幅值。 進而，使用濾波器1 抑制不需要信號，從輸出放大器12g對振子11供給驅動信號。再有， 監視信號也可以按正和負的差動形式輸入。同樣地，驅動信號也可以按正和負的差動形式輸出。
振子11基于從電極Ila輸入的基準電位及從電極lib輸入的驅動信號，以依賴于振子11的形狀等的驅動振動頻率進行驅動振動。從電極IlC輸出由該驅動振動產生的監視信號。此外，形成振子11，以使其根據從外部提供的慣性量進行檢出振動。從電極Iid輸出由該檢出振動產生的檢出信號。再有，基于驅動信號而將驅動振動激振的方式也可以按壓電方式、靜電容量方式、電磁驅動方式的任何方式進行。同樣地，由驅動振動生成監視信號的方式或由檢出振動生成檢出信號的方式，也可以按壓電方式、靜電容量方式、電磁驅動方式的任何方式進行。
檢測單元13包括IV變換放大器13a、檢波單元13b、以及低通濾波器13c。IV變換放大器13a將檢出信號的電流值變換為電壓值。檢波單元1 將從IV變換放大器13a 輸出的信號使用監視信號進行檢波。低通濾波器13c將從檢波單元1 輸出的信號進行平滑。根據該結構，檢測單元13將與對振子11從外部提供的慣性量對應的電壓值輸出到輸出單元10b。
故障診斷單元14測定從基準電位供給單元12a向振子11流過的電流量，基于該電流量診斷驅動單元12或振子11有無故障。從輸出單元IOa輸出該診斷結果。
圖2A是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的音叉型振子的驅動振動的說明圖。圖2B是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的音叉型振子的檢出振動的說明圖。圖 2A及圖2B表示作為振子11 一例的音叉型振子20。通過將該音叉型振子20用作圖1的振子11，可以檢出對音叉型振子20從外部提供的角速度。以下說明使用音叉型振子20檢測角速度的方法。
圖2A表示音叉型振子20的驅動振動21，圖2B表示音叉型振子20的檢出振動22。
音叉型振子20通過從驅動單元12提供驅動信號，產生固有的驅動振動頻率的驅動振動21。在該狀態下，如圖2B所示，若被輸入角速度23，則通過科里奧利(Coriolis)的力在與驅動振動21及角速度23的旋轉軸垂直的方向上產生檢出振動22。基于該檢出振動 22，從音叉型振子20輸出的檢出信號成為與驅動振動21相同的頻率，并且依賴于角速度23 的振幅的信號。因此，檢測單元13通過將該檢出信號使用監視信號進行檢波，可以檢測角速度23。
圖3A及圖:3B是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的多軸檢出振子的說明圖。圖3A及圖;3B表示作為振子11的其他例子的多軸檢出振子30。該多軸檢出振子30通過在X軸方向上提供驅動振動，可以檢測繞Y軸及繞Z軸旋轉的角速度。以下將多軸檢出振子30用作圖1的振子11來說明檢測繞Y軸及繞Z軸旋轉的角速度的方法。
圖3A是檢測繞Z軸旋轉的角速度的情況下的說明圖。在圖3A中，多軸檢出振子 30的四個錘31分別通過臂32連結到支承體33。以下說明將該多軸檢出振子30用作圖1 的振子11的情況下的動作。多軸檢出振子30通過從驅動單元12提供驅動信號，以X軸方向的固有的驅動振動頻率產生驅動振動34。在該狀態下，若被輸入繞Z軸旋轉的角速度35， 則通過科里奧利的力在與X軸方向的驅動振動34及Z軸方向的角速度35垂直的Y軸方向上產生檢出振動36。基于該檢出振動36，從多軸檢出振子30輸出的檢出信號成為與驅動振動34相同的頻率，并且依賴于角速度35的振幅的信號。因此，檢測單元13通過將該檢出信號使用監視信號進行檢波，可以檢測角速度35。
圖IBB是檢測繞Y軸旋轉的角速度的情況下的說明圖。該情況下，若被輸入繞Y軸旋轉的角速度37，則通過科里奧利的力在與X軸方向的驅動振動34及Y軸方向的角速度 37垂直的Z軸方向上產生檢出振動38。基于該檢出振動38，從多軸檢出振子30輸出的檢出信號成為與驅動振動；34相同的頻率，并且依賴于角速度37的振幅的信號。因此，檢測單元13通過將該檢出信號使用監視信號進行檢波，可以檢測角速度37。
圖4是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的故障診斷單元14、基準電位供給單元1 和振子11的方框圖。故障診斷單元14通過測定在基準電位供給單元1 和振子 11之間設置的電阻4 兩端的電壓降，測定從基準電位供給單元1 至振子11中流過的電流量。為了測定電阻4 兩端的電壓降，電阻4 的輸入側通過電阻44b連接到反相端子。 而且，電阻44a的輸出側通過同相端子連接到運算放大器44d(放大器44d)，電阻Mc連接在運算放大器44d的輸出端子和反相端子之間。而且，故障診斷單元14包括基于從運算放大器44d輸出的電壓來進行故障診斷的診斷單元44e。
診斷單元Me構成為在從運算放大器44d輸出的交流電壓為規定的電壓范圍外的情況下，輸出故障信號。通過該診斷單元44e，可以檢測在電阻4 中流過的電流量中添加固定值的偏移量(offset)那樣的故障模式。
以下說明使用該故障診斷單元14，進行驅動單元12或振子11的故障診斷的方法。
圖5是表示本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的故障診斷單元的電壓波形的圖。圖5表示診斷單元44e的電壓波形。圖5中所示的橫軸表示時間，縱軸表示電壓。電壓波形50是輸入到診斷單元44e的信號的電壓波形。驅動單元12將由振子11的驅動振動生成的交流的監視信號進行波形整形，并將交流的驅動信號提供給振子11，所以流過電阻4 的電流為交流電流。因此，輸入到診斷單元Me的信號的電壓波形50為如圖示的交流波形。
在電壓波形50中，時間tl之前的電壓波形50a表示驅動單元12或振子11正常地工作的情況下的電壓波形。時間tl之后的電壓波形50b表示驅動單元12或振子11發生了故障的情況下的電壓波形。
例如，在驅動單元12的內部電路短路的情況下產生泄漏電流(leak current)，在電阻44a中流過的電流中添加固定值的偏移量。該故障模式可以通過將電壓波形50與正常的電壓的上限閾值THl及下限閾值TH2進行比較來檢出。
圖6是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的診斷單元的方框圖。圖6表示診斷單元44e的方框圖。診斷單元Me包括最大值測定單元61、最小值測定單元62、比較單元63、比較單元64、以及故障信號輸出單元65。最大值測定單元61保持輸入信號的振幅的上限值。最小值測定單元62保持輸入信號的振幅的下限值。比較單元63在最大值測定單元61的輸出值大于上限閾值THl的情況下輸出Hi信號。比較單元64在來自最小值測定單元62的輸出值小于下限閾值TH2的情況下輸出Hi信號。故障信號輸出單元65在從比較單元63或比較單元64的任何一個輸出了 Hi信號的情況下輸出Hi信號作為表示故障的信號。通過這樣的診斷單元44e，可以檢測在電阻4 中流過的電流量上添加固定值的偏移量那樣的故障模式。
如以上說明，使用故障診斷單元14，可以診斷在驅動單元12或振子11上發生的故障。此外，在故障診斷單元14進行故障診斷期間，基準電位供給單元1 也對于振子11供給基準電位，所以慣性傳感器10可以檢測對振子11從外部提供的慣性量。
再有，在本實施方式中，如圖4所示，通過電阻4 兩端的電壓降來測定從基準電位供給單元1 至振子11流過的電流量。但是，測定從基準電位供給單元12a向振子11 流過的電流量的方法不限于該結構。
圖7是本發明的實施方式1的慣性傳感器具有的包括了電流鏡電路的故障診斷單元的方框圖。圖7表示作為運算放大器44d的一例的、使用了電流鏡電路的運算放大器70。 運算放大器70將電流鏡晶體管71和輸出驅動晶體管72并聯地連接。在該結構中，將鏡比 (輸出驅動晶體管72的放大率和電流鏡晶體管71的放大率之比)例如設定為10 1。于是，可以使流過電流鏡晶體管71的電流為流過輸出驅動晶體管72的電流的1/10。通過測定流過該電流鏡晶體管71的電流量，可以防止電流測定造成的消耗電流的過度增加。流過電流鏡晶體管71的監視電流流過監視電阻73，被變換為電壓，通過緩沖放大器74從輸出端子75輸出作為電流監視輸出。根據該結構，可以防止插入圖4的電阻4 時的電壓降造成的放大器輸出的動態范圍下降。再有，在圖7中將運算放大器70的輸出級結構設為了以恒流源和N型的輸出驅動晶體管構成的吸入電流控制型的結構。但是，不限于該輸出級結構， 也可以是以P型的輸出驅動晶體管和恒流源構成的排出電流控制型的結構。此外，也可以是在輸出級中使用了 P型激勵晶體管(driver transistor)和N型激勵晶體管的推挽型的結構等的輸出級結構。例如，在使用了推挽型的情況下，使用N型激勵晶體管的電流鏡電路和P型激勵晶體管的電流鏡電路，可以監視排出電流和吸入電流。
再有，根據測定從輸出放大器12g向振子11流過的電流量，還可以診斷在驅動單元12或振子11上發生的故障，同時在進行故障的診斷期間也可以進行慣性量的檢出。
(實施方式2)
圖8是本發明的實施方式2的慣性傳感器的方框圖。關于實施方式2的特征部分， 以與實施方式1的不同方面為中心進行說明。圖8表示一例作為測定從輸出放大器12g向振子11流過的電流量的結構的慣性傳感器80。在慣性傳感器80中，在一組輸出放大器12g 和一組電極lib之間，設置一組故障診斷單元81。此外，包括了在一組故障診斷單元81的任何一個單元輸出了故障信號的情況下對輸出單元IOa輸出故障信號的故障信號輸出單元82。
根據該結構，不僅可以檢測在圖5所示那樣的電流量上添加固定值的偏移量的故障模式，還可以檢測電流的振幅變大的故障模式。
故障診斷單元81可以用與故障診斷單元14同樣的結構實現。在診斷單元中也可以用與診斷單元44e同樣的結構實現。
圖9是表示本發明的實施方式2的慣性傳感器具有的故障診斷單元的電壓波形的圖。圖9表示發生了電壓的振幅變大那樣的故障模式的情況。在電壓波形90中，電壓波形 90a表示剛剛發生了斷線的電壓波形。時間tl之后的電壓波形90b表示電壓的振幅變大的情況下的電壓波形。
這樣的故障模式，例如在一組的輸出放大器12g的一方發生了故障的情況、或在一組的輸出放大器12g和一組的電極lib之間的布線的一方發生了斷線的情況下發生。這種情況下，由于僅從未斷線方的輸出放大器12g供給驅動信號，所以供給到振子11的驅動信號的電流量及監視信號的電流量暫時性地變小。但是，驅動信號供給單元12e內的AGC 放大器(未圖示)進行控制以使監視信號的電流量為固定值，所以受到控制以使從未斷線方的輸出放大器12g輸出的電流量增大。其結果，成為電壓波形90b所示的電壓波形，通過與上限閾值THl及下限閾值TH2進行比較，可以檢測該故障模式。
(實施方式3)
圖10是本發明的實施方式3的慣性傳感器的方框圖。圖11是本發明的實施方式 3的慣性傳感器具有的故障診斷單元、基準電位供給單元及振子的方框圖。圖12是本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的診斷單元的方框圖。關于實施方式3的特征部分，以與實施方式1的不同方面為中心進行說明。
圖11表示故障診斷單元104、基準電位供給單元1 和振子11。如圖11所示，故障診斷單元104是將圖4的診斷單元Me置換為診斷單元10 的結構。
診斷單元l(Me為以下結構在從運算放大器44d輸出的交流電壓的振幅值為規定值以下的情況下，輸出故障信號。通過該診斷單元104e，可以檢測在電阻4 中流過的電流量幾乎為0那樣的故障模式。
圖12表示診斷單元l(Me的方框圖。診斷單元l(Me包括全波整流單元121、低通濾波器122、以及比較單元123。全波整流單元121對輸入的交流電壓進行全波整流。低通濾波器122對來自全波整流單元121的輸出信號進行平滑。比較單元123在來自低通濾波器122的輸出值小于閾值TH3的情況下輸出Hi信號。通過這樣的診斷單元l(Me，可以檢測在電阻44a中流過的電流幾乎為0那樣的故障模式。
以下說明使用該故障診斷單元104進行驅動單元12或振子11的故障診斷的方法。
圖13A是表示本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的故障診斷單元的電壓波形的圖。圖13A表示診斷單元l(Me的電壓波形。圖13A中，橫軸表示時間，縱軸表示電壓。電壓波形110是輸入到診斷單元10 的信號的電壓波形。
在電壓波形110中，時間tl之前的電壓波形IlOa表示驅動單元12或振子11正常地工作的情況下的電壓波形。時間tl之后的電壓波形IlOb表示驅動單元12或振子11 發生了故障的情況下的電壓波形。
例如，在起因于驅動單元12的異常等而停止了振子11的振蕩的情況或連接驅動單元12和振子11的導線發生了斷線的情況下，電阻44a中流過的電流量幾乎為0。如圖1013A所示，發生了故障的情況下的電壓波形IlOb的電壓在上限閾值THl和下限閾值TH2之間，所以不能使用診斷單元Me檢測該故障模式。但是，可以按電壓波形110的振幅值是否在規定值以下來診斷故障。
圖1 是表示本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的全波整流單元的輸出信號的圖。圖1 表示診斷單元l(Me具備的全波整流單元121的輸出信號111。輸出信號111 在至時間tl為止是正常的狀態的波形，時間tl以后是發生了故障的狀態的波形。
圖13C是表示本發明的實施方式3的慣性傳感器具有的低通濾波器的輸出信號的圖。圖13C表示低通濾波器122的輸出信號112。至時間tl為止是正常的狀態的波形，時間tl以后是發生了故障的狀態的波形。輸出信號112有起因于低通濾波器122的延遲時間，所以在從時間tl起經過了規定時間的時間t2成為小于閾值TH3的電壓值。因此，在時間t2從診斷單元l(Me輸出故障診斷信號。
再有，也可以在輸出放大器12g和振子11之間設置故障診斷單元104。根據該結構，可以檢測從輸出放大器12g輸出到振子11的電流的振幅為規定值以下那樣的故障模式。在輸出放大器12g為差動輸出的情況下，如圖8所示的一組故障診斷單元81，也可以在各個輸出放大器12g的輸出側設置故障診斷單元104。由此，可以檢出從任何一方的輸出放大器12g輸出的電流的振幅為規定值以下那樣的故障模式。
工業實用性
本發明的慣性傳感器可以診斷在驅動單元或振子上發生的故障，同時在進行故障的診斷的期間也可以進行慣性量的檢出，特別在作為用于車輛控制用途、汽車導航等各種電子設備的傳感器是有用的。
權利要求
1.慣性傳感器，包括 振子；驅動單元，使所述振子振動；檢測單元，檢測對所述振子從外部提供的慣性量；以及故障診斷單元，設置在所述振子和所述驅動單元之間， 所述驅動單元具有基準電位供給單元，對所述振子供給基準電位；以及驅動信號供給單元，基于從所述振子輸出的監視信號，對所述振子供給驅動信號， 所述故障診斷單元包括基于從所述基準電位供給單元至所述振子中流過的電流值來診斷有無故障的診斷單元。
2.如權利要求1所述的慣性傳感器， 所述故障診斷單元具有電阻，串聯連接在所述基準電位供給單元和所述振子之間；以及放大器，放大所述電阻兩端的電壓降量，所述診斷單元基于從所述放大器輸出的電壓值來診斷有無故障。
3.慣性傳感器，包括 振子；驅動單元，使所述振子振動；檢測單元，檢測對所述振子從外部提供的慣性量；以及故障診斷單元，設置在所述振子和所述驅動單元之間， 所述驅動單元具有基準電位供給單元，對所述振子供給基準電位；以及驅動信號供給單元，基于從所述振子輸出的監視信號，對所述振子供給驅動信號， 所述故障診斷單元包括基于從所述驅動信號供給單元至所述振子中流過的電流值來診斷有無故障的診斷單元。
4.如權利要求3所述的慣性傳感器， 所述故障診斷單元具有電阻，串聯連接在所述驅動信號供給單元和所述振子之間；以及放大器，放大所述電阻兩端的電壓降量，所述診斷單元基于從所述放大器輸出的電壓值來診斷有無故障。
5.如權利要求1或權利要求3所述的慣性傳感器， 所述診斷單元包括最大值測定單元，輸出所述電流值的最大值； 最小值測定單元，輸出所述電流值的最小值；第1比較單元，在所述最大值大于預先確定的上限閾值的情況下輸出故障信號； 第2比較單元，在所述最小值小于預先確定的下限閾值的情況下輸出故障信號；以及故障信號輸出單元，在所述第1比較單元或所述第2比較單元的任何一個輸出了故障信號的情況下輸出故障信號。
6.如權利要求5所述的慣性傳感器，所述故障信號輸出單元在所述第1比較單元輸出了故障信號的情況和所述第2比較單元輸出了故障信號的情況下輸出不同的故障信號。
7.如權利要求1或權利要求3所述的慣性傳感器， 所述診斷單元包括全波整流單元，將所述電壓值進行全波整流；低通濾波器，將來自所述全波整流單元的輸出信號進行平滑；以及比較單元，在來自所述低通濾波器的輸出信號小于預先確定的閾值的情況下輸出故障信號。
全文摘要
本發明的慣性傳感器形成包括了振子、使振子振動的驅動單元、檢測對振子從外部提供的慣性量的檢測單元、以及設置在振子和驅動單元之間的故障診斷單元的結構。而且，驅動單元具有對振子供給基準電位的基準電位供給單元；以及基于從振子輸出的監視信號，對振子供給驅動信號的驅動信號供給單元。故障診斷單元基于從基準電位供給單元至振子中流過的電流值來診斷有無故障。根據該結構，可以檢測在驅動單元或振子上發生的故障。
文檔編號G01C19/5614GK102510996SQ20108004170
公開日2012年6月20日 申請日期2010年9月22日 優先權日2009年10月1日
發明者植村猛 申請人:松下電器產業株式會社